[发明专利]一种具有硫组分梯度的铜锌锡硫硒薄膜的制备方法

说明书

本发明公开了一种具有硫组分梯度的铜锌锡硫硒薄膜的制备方法，包括以下步骤：将钠钙玻璃放入磁控溅射腔室，沉积双层钼背电极；利用磁控溅射系统，按ZnS/CuS/Sn/CuS的顺序进行多周期分步溅射，沉积铜锌锡硫预制层薄膜；将预制层在氩气条件下低温合金、后高温硒化制备出铜锌锡硒薄膜；将制备的铜锌锡硒薄膜放置于硫化炉进行硫的等离子体硫化，待S等离子体硫化结束后取出样品，冷却，得到具有硫组分梯度的铜锌锡硫硒薄膜，本发明的方法能够制备出高质量的具有带隙梯度的铜锌锡硫硒吸收层薄膜。

技术领域

本发明涉及光电材料新能源技术领域，更具体的说是涉及一种等离子体法制备具有硫组分梯度的铜锌锡硫硒薄膜的方法。

背景技术

自工业革命以来，煤、石油等燃料成为人们生活水平提高过程中的必要消耗品，在人们为追求更高生活水平的条件下，能源(煤、石油等)的消耗和需求量日益增加，而有限的不可再生能源的储存量不断下降，不可再生能源已经无法满足人类发展的需求。而太阳能属于可再生资源、无污染、“取之不尽，用之不竭”、可再生且不受地域限制，太阳能被广泛关注，被认为是一种理想的能源替代物。

经过几十年的发展，硅太阳电池的研究得到长足的发展，在太阳能利用方面做出很大的贡献，其发展进入饱和期，随之，第二代太阳电池(薄膜太阳电池)进入研究人员的视野，铜铟镓硒(Cu(In,Ga)Se₂，CIGS)、砷化镓(GaAs)和碲化镉(CdTe)等。但是，这些材料中均包含一些稀有金属或者有毒材料，故为了可持续长久发展和大规模运用，新的无毒、地壳中含量丰富的材料正在被研究。

鉴于此，铜锌锡硫Cu₂ZnSnS₄(CZTS)基薄膜太阳电池应运而生且被广泛研究和关注，由于CZTS具有大于10⁴cm^-1的光吸收系数、原材料丰富、无毒和成本低等优势，能够有望成为新一代薄膜太阳电池的选择之一,但是截至目前其效率未能达到理论效率的二分之一，造成这种情况的原因是由于其吸收层薄膜与缓冲层CdS薄膜之间的界面复合较为严重以及两者之间的能带排列问题等，这些因素是导致其效率不高的原因。

对于Cu₂ZnSnSe₄(CZTSe)薄膜电池来说，通过掺入同族的S元素替代部分的Se元素制备Cu₂ZnSn(S,Se)₄(CZTSSe)可以用来调节禁带宽度，使得到的CZTSSe薄膜的导带要高于CZTSe薄膜的导带、价带要低于CZTSe薄膜的价带，能够有效地提升界面处吸收层薄膜的带隙，减少界面复合，且在沿上表面形成具有硫组分梯度的CZTSSe吸收层薄膜时，能够阻止空穴向前表面输运，进一步减少了光生电子-空穴对在前表面的复合，提升器件性能。1997年，Friedlmeier等采用电子束蒸发法制备了CZTSe薄膜太阳电池，实现了光电转换效率为2.3％，自此，CZTS薄膜太阳电池的阴离子替代品CZTSe薄膜太阳电池获得了研究人员的关注。2009年，Zoppi等人利用磁控溅射法制备了光电转换效率为3.2％的CZTSe薄膜太阳电池；2012年，Repins等人采用共蒸发法制备了光电转换效率为9.7％的CZTSe薄膜太阳电池；2014年，Jong-Ok Jeon等人采用共沉积法制备了光电转换效率为8％的CZTSe薄膜太阳电池；2018年，暨南大学李建军等人利用磁控溅射法将纯的CZTSe薄膜太阳电池的效率提升至11.9％；2019年，清华大学庄大明等人利用磁控溅射四元合金靶制备CZTSe薄膜太阳电池，获得电池的光电转换效率为11.95％。同时，CZTS薄膜太阳电池的光电转换效率也得到持续的提升，但是与韩国Dae-Ho Son等人创造的冠军效率12.62％的CZTSSe薄膜太阳电池相比仍然有一定的差距。

因此，如何提供一种高效的CZTSSe薄膜太阳电池是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种等离子体法制备硫组分梯度的铜锌锡硫硒薄膜的方法，制备出高质量的具有带隙梯度的铜锌锡硫硒吸收层薄膜。